基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

引言

　　森林火災(zāi)不僅給人類的經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大損失，破壞生態(tài)環(huán)境，而且還會威脅到人類生命財產(chǎn)安全。

　　傳統(tǒng)的人工巡山的防火方式過于簡陋，只能做一些防備措施，不能主動實時監(jiān)控森林的具體情況。一般認(rèn)為，晴朗、高溫和大風(fēng)天氣常使森林中可燃物的含水量下降到40%以下，這時最易發(fā)生森林火災(zāi)。了解森林火災(zāi)發(fā)生所需的條件，防火系統(tǒng)設(shè)計就有跡可循。

　　系統(tǒng)只需要收集森林各個位置的環(huán)境參數(shù)（ 包括溫濕度、降水量和風(fēng)力等） ，并將數(shù)據(jù)傳送到指揮中心，對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，即可得出森林火災(zāi)易發(fā)位置，在第一時間消除隱患，節(jié)省人力和財力。

　　ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有功率小、成本低的優(yōu)點，因此，本文基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過監(jiān)測森林環(huán)境參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而使環(huán)境參數(shù)得到實時監(jiān)測。

　　1 ZigBee 技術(shù)概述

　　ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離的無線連接。它能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點間的相互協(xié)調(diào)通信，而需要的能量很少； ZigBee 以自組網(wǎng)多跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，已被認(rèn)為是較合適的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE 802.

　　15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，旨在使不同應(yīng)用制造商之間能共享一套標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802. 15. 4 是IEEE 組織制定的低速率、無線個人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層。ZigBee 聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，同時開發(fā)了安全層，應(yīng)用已較成熟。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于森林防火系統(tǒng)，需要在森林里人工散布節(jié)點。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所需要的信息，實現(xiàn)對任意地點的信息在任意時間的采集、處理和分析。典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分布式傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等組成。在這個網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳到路由器上，由路由器將收集的數(shù)據(jù)通過Internet或者衛(wèi)星傳到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行集中處理。

　　2. 1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)議定義了3 種Zig-Bee 設(shè)備對象，分別是ZigBee 協(xié)調(diào)器、ZigBee 路由器和終端設(shè)備。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用需要可組織成星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。考慮到森林里需要數(shù)據(jù)監(jiān)控采集的網(wǎng)點多，地形復(fù)雜且要大面積的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　2. 2 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)所有ZigBee 節(jié)點都采用同樣的電路設(shè)計，通過寫入相應(yīng)的程序來完成不同功能。所有節(jié)點都是由JN5121-000-M02 模塊、RS-232 通信接口模塊、驅(qū)動控制輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、模擬信號處理電路、實時時鐘模塊、電源處理模塊和太陽能供電單元共同組成。

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

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圖1 系統(tǒng)硬件

　　系統(tǒng)中的ZigBee 節(jié)點所采用的JN5121-000-M02模塊可以實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無線通信，在空曠地段通信距離超過1 000 m。系統(tǒng)所有節(jié)點采用太陽能供電單元供電，開關(guān)電源為DC/DC MAX1837。模擬信號處理模塊具有通用的傳感器接口，無論是模擬信號，還是脈沖數(shù)字信號都能得到很好的處理，可以靈活地經(jīng)過設(shè)置接入具有標(biāo)準(zhǔn)輸出的傳感器。驅(qū)動控制電路實現(xiàn)對現(xiàn)場脈沖電磁閥的開閉控制。

　　2. 2. 1 JN5121-000-M02 模塊

　　2006 年，英國Jennic 公司開發(fā)出集成了微處理器和無線收發(fā)器JN5121M0x 系列ZigBee 模塊，其中，JN5121-000-M02 模塊有一個電源放大器和低噪聲放大器，可加大通信距離。JN5121 無線收發(fā)器工作在2. 4 GHz 頻段，內(nèi)部有128 位AES 加密的安全處理器；可以進(jìn)行硬件處理MAC 地址加速和報文地址檢查，提升通信報文的產(chǎn)生速度，硬件處理報文自動確認(rèn)以及報文的CRC 生成； 此外，模塊內(nèi)部集成了電源管理芯片和晶振休眠，可降低協(xié)同功耗。

　　2. 2. 2 RS-232 通信接口電路

　　通信芯片選用的是MAX3222。MAX3222 使用單一電源電壓Vcc，電壓值在3. 3 ～ 5. 5 V 范圍內(nèi)都能正常工作，額定電流為300 μA，可完成TTL 與RS-232 兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。另外，它還可以通過

引腳控制驅(qū)動器和接收器的工作狀態(tài)，啟動或禁止自動降低功能，使其工作在不同的能耗，從而達(dá)到降低功耗的目的。本系統(tǒng)MAX3222 的硬件連接電路如圖2所示。RXD0、TXD0、

引腳分別與JN5121 模塊的UART0相應(yīng)管腳和I /O 接口相連，RXD、TXD、CTS 分別連接到系統(tǒng)的RS-232 接線端子上，完成上位機(jī)通信以及JN5121 模塊的程序下載功能。

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圖2 MAX3222 硬件連接圖

　　2. 2. 3 驅(qū)動控制輸出模塊

　　森林面積大且地形復(fù)雜，很難采用有線電源為系統(tǒng)供電，為此選用的電磁閥一般為脈沖式電磁閥。脈沖式電磁閥無需持續(xù)供電，通過瞬間的脈沖信號就能實現(xiàn)電磁閥的開關(guān)控制，非常適合在森林中應(yīng)用。脈沖式電磁閥的工作電壓為直流電壓12 ～ 40 V，它由三線制控制，分別為白線、紅線和黑線。白線為公共端接入線，當(dāng)白線和紅線之間產(chǎn)生一個12 V 以上的脈沖信號時，電磁閥打開； 當(dāng)白線和黑線之間產(chǎn)生一個脈沖信號時，電磁閥關(guān)閉。

　　2. 2. 4 存儲電路模塊

　　鐵存儲器（ FRAM） 是一種非易失性隨機(jī)存取儲存器，它既可以進(jìn)行非易失性數(shù)據(jù)存儲，又可以像RAM一樣操作。在此，系統(tǒng)采用鐵存儲器FM25L256，它是具有先進(jìn)鐵電技術(shù)制造的32 kB 非易失性存儲器。

　　FM25L256 以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時，僅需幾百納秒； 當(dāng)數(shù)據(jù)寫入芯片后，下一個總線周期可以立即開始而無須進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢。此外，F(xiàn)M25L256 具有無限的讀寫次數(shù)，且操作功耗非常低，工作電壓在2. 7 ～3. 6 V 之間，工作靜態(tài)電流低至5 μA。

　　2. 2. 5 實時時鐘模塊

　　實時時鐘模塊主要器件采用PCF8563 時鐘芯片，它是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，提供1 個可編程時鐘輸出、1 個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞。該芯片為系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，可以根據(jù)設(shè)置值采集數(shù)據(jù)，定時存入數(shù)據(jù)存儲器，同時也能喚醒微控制器進(jìn)行自動采集，滿足對實時時鐘芯片的各種需要。

　　2. 2. 6 太陽能供電單元

　　由于普通電池不能滿足系統(tǒng)長時間的要求，因此，系統(tǒng)采用太陽能供電單元。該單元由太陽能電池組、充電控制器和蓄電池組組成。充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的使用壽命，同時保護(hù)蓄電池，避免發(fā)生過充電和過放電現(xiàn)象。

　　3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　JN5121-000-M02 模塊的軟件是在Jennic 公司的Jennic CodeBlocks 環(huán)境下開發(fā)的，采用Jennic 公司已經(jīng)編寫好的MAC 層軟件，則用戶可通過C 語言編程完成應(yīng)用層的開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。

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圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

　　系統(tǒng)協(xié)調(diào)器設(shè)備（ 主節(jié)點協(xié)調(diào)器） 的軟件流程如圖3（ a） 所示。主節(jié)點的主要功能是對ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的各個子節(jié)點進(jìn)行管理，將上位機(jī)監(jiān)測終端下達(dá)的測控信息通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到需要測控的子節(jié)點，接收各個子節(jié)點的狀態(tài)信息并將信息發(fā)回給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存。系統(tǒng)的路由設(shè)備和數(shù)據(jù)采集控制總端（ 子節(jié)點路由器和終端設(shè)備） 的軟件流程如圖3（ b）所示。子節(jié)點是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的主要功能是接收主節(jié)點的采集控制信息，對接入的不同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對電磁閥等設(shè)備進(jìn)行控制。其中，路由設(shè)備在完成數(shù)據(jù)采集控制的功能外，還具有ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由中繼功能。

　　4 結(jié)束語

　　ZigBee 無線傳感技術(shù)具有低成本、易實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠和低功耗等特點，非常適合于森林火災(zāi)監(jiān)測。系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，以最大限度地覆蓋需要監(jiān)測的區(qū)域，實時監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境因子，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時發(fā)現(xiàn)易著火點的精確位置，真正為林火防治降低成本，提高效率。

　　但是系統(tǒng)仍存在節(jié)點多、能耗相對較高的缺陷，有待進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。本系統(tǒng)的提出是對無線傳感在林火監(jiān)測方面的應(yīng)用嘗試，不但為我國林火監(jiān)測研究提出了一種新方向，同時也為無線傳感的應(yīng)用拓寬了發(fā)展空間。

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